CN117206712A - 一种晶圆mems芯片悬臂梁激光切割机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割机，旨在提供一种结构简单，满足微米级的切割精度以及良好的激光加工效果的激光切割机。本发明包括平台底座、光路平台支架、光路组件以及治具组件，治具组件与光路组件工作端相配合，光路组件包括激光器、固定外光路模组以及升降外光路模组，固定外光路模组包括固定外光路盒、若干第一水平反射镜、激光扩束镜以及第一垂直反射镜，升降外光路模组通过Z轴调焦伺服丝杆模组与固定外光路盒一侧相连接，升降外光路模组包括升降外光路盒、第二水平反射镜和第二垂直反射镜，升降外光路平台下端面设置有激光切割头，治具组件包括X轴直线模块、Y轴直线模块以及切割载台。本发明应用于激光切割加工的技术领域。

Description

一种晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割机

技术领域

本发明应用于激光切割加工的技术领域,特别涉及一种晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割机。

背景技术

激光切割技术是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑将材料快速加热至汽化温度，从而蒸发形成小孔洞，再使光束与材料相对移动实现连续切割。晶圆MEMS芯片切割属于高精度高工艺要求切割应用，一方面要保证微米级的切割位置精度，另一方面要确保良好的激光加工工艺效果；因此对整机的运动平台精度、视觉定位精度和激光加工***都有很高的要求；目前并没有符合要求的设备。例如公开号为CN212398530U的中国专利，其公开了一种半导体晶圆激光切割机,包括机座、工件运动平台和激光切割单元，所述激光切割单元包括激光器、光路组件、Z轴组件、焦点跟踪***、激光切割头和激光聚集***，所述焦点跟踪***、激光切割头和激光聚集***分别设置在所述Z轴组件上，所述激光器射出的激光经所述光路组件的传导进入所述焦点跟踪***，然后依次经所述激光切割头、激光聚集***传输后，将激光聚集到所述工件运动平台上的工件上，所述工件运动平台带动工件进行运动，从而完成对工件的激光切割。针对晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割应用，本发明创造提供一种集直线电机高精度运动平台、大视野粗定位和小视野精定位视觉***、紫皮激光器和精密聚焦切割头光路***、同轴除尘***于一体的晶圆芯片切割加工设备。通过高精度直线电机运动平台和双相机视觉定位，确保加工位置精度；通过紫外皮秒激光器和精密聚焦切割头、以及切割头同轴激光除尘***，确保激光加工工艺效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种结构简单，满足微米级的切割精度以及良好的激光加工效果的激光切割机。

本发明所采用的技术方案是：本发明包括平台底座、光路平台支架、光路组件以及治具组件，所述治具组件与所述光路组件工作端相配合，所述光路组件包括激光器、固定外光路模组以及升降外光路模组，所述固定外光路模组包括固定外光路盒、若干第一水平反射镜、激光扩束镜以及第一垂直反射镜，所述升降外光路模组通过Z轴调焦伺服丝杆模组与所述固定外光路盒一侧相连接，所述升降外光路模组包括升降外光路盒、第二水平反射镜和第二垂直反射镜，所述升降外光路盒下端面设置有激光切割头，所述治具组件包括X轴直线模块、Y轴直线模块以及切割载台。

进一步，所述固定外光路盒一侧设置有连接杆，所述激光器设置有套筒，所述套筒通过所述连接杆与所述固定外光路盒相连接，所述固定外光路盒一侧设置有第一激光通孔，所述第一激光通孔与所述套筒相配合，所述固定外光路盒还设置有第二激光通孔，所述第二激光通孔与所述第一垂直反射镜相配合。

进一步，光路平台支架一侧设置有所述Z轴调焦伺服丝杆模组，所述升降外光路盒一侧与所述Z轴调焦伺服丝杆模组活动端相连接。

进一步，所述第二水平反射镜和所述第二垂直反射镜分别在所述升降外光路盒两端，所述第二水平反射镜通过所述第二激光通孔与所述第一垂直反射镜相配合，所述升降外光路盒还设置有第三激光通孔，所述第二垂直反射镜通过所述第三激光通孔与所述激光切割头相配合。

进一步，所述Y轴直线模块与所述X轴直线模块活动端相连接，所述切割载台与所述Y轴直线模块活动端相连接，所述切割载台设置有若干扩晶环夹紧块，所述切割载台中部设置有带扩晶环的晶圆产品，若干所述扩晶环夹紧块与所述扩晶环限位配合，所述切割载台还设置有若干调平螺丝。

进一步，所述升降外光路盒一侧还设置有大视野相机和小视野相机，所述大视野相机和所述小视野相机与所述切割载台上的晶圆产品相配合。

进一步，所述激光切割头底部还设置有同轴除尘模块，所述同轴除尘模块与所述激光切割头相配合。

进一步，所述固定外光路盒还设置有气缸光闸，所述气缸光闸活动端设置有激光挡板，所述激光挡板与第一激光通孔相配合。

进一步，所述晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割机还包括机罩、所述机罩设置有上料口双开门、操作面板以及观察门。

本发明的有益效果是：设备外罩下机架为焊接方通，上机架为型材架，外罩为板件外罩配亚克力观察视窗，设备主操作面板在上料口右侧、四周均配备维修双开门和观察视窗，方便操作员操作和维护，固定外光路盒中包含三个所述第一水平反射镜、一个所述气缸光闸、一个所述激光扩束镜和一个所述第一垂直反射镜，通过反射镜和扩束镜的组合应用，将激光器出射光斑进行准直扩束，并由水平方向转变为垂直方向，所述套筒和所述连接杆组合起来，实现所述激光器出光口和所述固定外光路盒之间的光路密封，所述升降外光路盒包括一个所述第二水平反射镜、一个所述第二垂直反射镜、一个所述激光切割头、一套所述同轴除尘模块和一套所述Z轴调焦伺服丝杆模组伺服模组组成，扩束后的激光光束，通过两组反射镜后，垂直并同轴射入所述激光切割头，通过所述激光切割头聚焦为高能量密度光斑，实现激光切割加工，结构简单，性能稳定，机构还设置有视觉定位***，包括所述大视野相机和所述小视野相机他们分别进行粗定位和精定位，是切割过程更精准，所述切割载台设置有若干调平螺丝，可确保载台平面和切割头的垂直度，确保每一个加工点激光都是垂直入射，从而保证加工工艺的稳定性和一致性。配同轴除尘机构、外接激光除尘机，在激光切割加工的同时，进行负压吸附除尘，及时排除激光切割过程中产生的烟尘和微颗粒，确保加工后晶圆芯片表面的洁净度，所述激光切割头通过所述X轴直线模块、Y轴直线模块以及所述Z轴调焦伺服丝杆模组完成三轴复合运动，实现晶圆的激光切割。

附图说明

图1是本发明的立体视图；

图2是所述光路组件的立体视图；

图3是所述光路组件的俯视图；

图4是所述治具组件的立体视图；

图5是所述机罩的立体视图。

实施方式

如图1至图4所示，在本实施例中，本发明包括平台底座1、光路平台支架2、光路组件3以及治具组件4，所述治具组件4与所述光路组件3工作端相配合，所述光路组件3包括激光器31、固定外光路模组32以及升降外光路模组33，所述固定外光路模组32包括固定外光路盒321、若干第一水平反射镜322、激光扩束镜323以及第一垂直反射镜324，所述升降外光路模组33通过Z轴调焦伺服丝杆模组5与所述固定外光路盒321一侧相连接，所述升降外光路模组33包括升降外光路盒331、第二水平反射镜332和第二垂直反射镜333，所述升降外光路盒331下端面设置有激光切割头6，所述治具组件4包括X轴直线模块41、Y轴直线模块42以及切割载台43。由此可见，所述光路平台支架2设置在所述平台底座1一侧，所述光路组件3设置在所述光路平台支架2上端面，所述治具组件4设置在所述平台底座1上端面中部，所述激光切割头6与所述切割载台43相配合，所述X轴直线模块41、所述Y轴直线模块42以及所述Z轴调焦伺服丝杆模组5可实现XYZ三轴复合运动。

如图1至图3所示，在本实施例中，所述固定外光路盒321一侧设置有连接杆7，所述激光器31设置有套筒8，所述套筒8通过所述连接杆7与所述固定外光路盒321相连接，所述固定外光路盒321一侧设置有第一激光通孔325，所述第一激光通孔325与所述套筒8相配合，所述固定外光路盒321还设置有第二激光通孔326，所述第二激光通孔326与所述第一垂直反射镜324相配合。由此可见，所述激光器31通过所述套筒8发射光斑，所述连接杆7和所述套筒8相配合，实现所述激光器31出光口和所述固定外光路盒321之间的光路密封，并通过所述第一激光通孔325与若干所述第一水平反射镜322相配合，通过若干所述第一水平反射镜322和激光扩束镜323的组合应用，将所述激光器31出射的光斑进行准直扩束，扩束后的激光束通过第一垂直反射镜324将光斑反射通过所述第二通孔326，与所述升降外光路盒331相配合。

如图1至图3所示，在本实施例中，所述光路平台支架2一侧设置有所述Z轴调焦伺服丝杆模组5，所述升降外光路盒331一侧与所述Z轴调焦伺服丝杆模组5活动端相连接。由此可见，所述Z轴调焦伺服丝杆模组5设置在所述光路平台支架2一侧，活动端与所述升降外光路盒331相连接，可控制所述升降外光路盒331在Z轴上的移动。

如图2所示，在本实施例中，所述第二水平反射镜332和所述第二垂直反射镜333分别在所述升降外光路盒331两端，所述第二水平反射镜332通过所述第二激光通孔326与所述第一垂直反射镜324相配合，所述升降外光路盒331还设置有第三激光通孔334，所述第二垂直反射镜333通过所述第三激光通孔334与所述激光切割头6相配合。由此可见，激光束通过所述第二激光通孔326与所述第二水平反射镜332相配合，并将所述光斑反射到所述第二垂直反射镜333，所述激光束通过第三激光通孔334垂直并同轴射入所述激光切割头6，使所述激光切割头6将所述激光束聚焦为高能量密度光斑，实现激光切割加工。

如图1和图4所示，在本实施例中，所述Y轴直线模块42与所述X轴直线模块41活动端相连接，所述切割载台43与所述Y轴直线模块42活动端相连接，所述切割载台43设置有若干扩晶环夹紧块44，所述切割载台43中部设置有带扩晶环45的晶圆产品46，若干所述扩晶环夹紧块44与所述扩晶环45限位配合，所述切割载台43还设置有若干调平螺丝47。由此可见，所述X轴直线模块41和所述Y轴直线模块42可使所述切割载台43实现X轴和Y轴方向上的移动，所述切割载台43还可真空吸附所述晶圆产品43，使切割过程更加稳定和精准。

如图1所示，在本实施例中，所述升降外光路盒331一侧还设置有大视野相机9和小视野相机10，所述大视野相机9和所述小视野相机10与所述切割载台43上的晶圆产品46相配合。由此可见，所述大视野相机9抓取所述晶圆产品43上特征点做粗定位，所述小视野相机抓取第一颗芯片待加工悬臂梁特征做精定位，每个芯片6个加工位置，实现所述晶圆产品46和所述激光切割头6的精确定位。

如图2所示，在本实施例中，所述激光切割头6底部还设置有同轴除尘模块11，所述同轴除尘模块11与所述激光切割头6相配合。由此可见，所述同轴除尘模块11在激光切割加工的同时，进行负压吸附除尘，及时排除激光切割过程中产生的烟尘和微颗粒，确保加工后晶圆芯片表面的洁净度。

如图2和图3所示，在本实施例中，所述固定外光路盒321还设置有气缸光闸12，所述气缸光闸12活动端设置有激光挡板13，所述激光挡板13与第一激光通孔325相配合。由此可见，所述气缸光闸12可再激光切割完成后，驱动所述激光挡板13与所述第一激光通孔325相配合，从而拦截激光束。

如图5所示，在本实施例中，所述晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割机还包括机罩14、所述机罩14设置有上料口双开门15、操作面板16以及观察门17。由此可见，所述机罩14下机架为焊接方通，上机架为型材架，所述操作面板16设置在所述上料双开门15右侧，方便操作员进行操作，所述观察们17设置有亚克力板激光切割时可进行观察。

本发明的工作原理：设备启动前，操作员打开所述上料双开门15，通过若干调平螺丝47的调整所述切割载台43平面和所述激光切割头6的垂直度，确保每一个加工点激光都是垂直入射，将带所述扩晶环45的所述晶圆产品46放置在所述切割载台43上端面，若干所述扩晶环夹紧块44夹紧所述扩晶环45，所述切割载台43真空吸附所述晶圆产品46，所述X轴直线模块41、所述Y轴直线模块42以及所述Z轴调焦伺服丝杆模组5三轴复合运动，所述大视野相机9抓取晶圆上特征点做粗定位，XYZ三轴复合运动定位，所述小视野相机10抓取第一颗芯片待加工悬臂梁特征做精定位（每个芯片6个加工位置），视觉精定位后，指导XYZ轴复合运动补偿，所述激光切割头6移动到第一个待加工位置，所述激光器31发射激光束通过所述第一激光通孔325并与所述三个第一水平反射镜322和激光扩束镜323的组合应用，再通过所述第一垂直反射镜324由水平方向转变为垂直方向，所述激光束通过第二激光通孔326到所述第二水平反射镜332，将激光束由垂直方向转变为水平方向，再通过所述第二垂直水平反射镜333将激光束由水平方向转变为垂直方向，垂直并同轴射入所述激光切割头6，所述激光切割头6将所述激光束聚焦为高能量密度光斑，实现激光切割加工，在激光切割加工的同时，所述同轴除尘模块11进行负压吸附除尘，及时排除激光切割过程中产生的烟尘和微颗粒，确保加工后晶圆芯片表面的洁净度，重复上述视觉精定位和激光切割步骤，完成整片所述晶圆产品46上所有芯片的切割加工，加工完成后，气缸光闸12驱动驱动所述激光挡板13拦截激光束，所述Z轴调焦伺服丝杆模组5驱动所述所述激光切割头6回到安全位，所述X轴直线模块41和所述Y轴直线模块42驱动所述切割载台43到下料位置，所述切割载台43取消真空吸附状态，所述扩晶环夹紧块44放松，操作员取下切割好的所述晶圆产品46，并将未切割的所述晶圆产品46放入所述切割载台43上，重复上述步骤，即可完成晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割。

虽然本发明的实施例是以实际方案来描述的，但是并不构成对本发明含义的限制，对于本领域的技术人员，根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。

Claims (9)

1.一种晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割机，包括平台底座（1）、光路平台支架（2）、光路组件（3）以及治具组件（4），所述治具组件（4）与所述光路组件（3）工作端相配合，其特征在于：所述光路组件（3）包括激光器（31）、固定外光路模组（32）以及升降外光路模组（33），所述固定外光路模组（32）包括固定外光路盒（321）、若干第一水平反射镜（322）、激光扩束镜（323）以及第一垂直反射镜（324），所述升降外光路模组（33）通过Z轴调焦伺服丝杆模组（5）与所述固定外光路盒（321）一侧相连接，所述升降外光路模组（33）包括升降外光路盒（331）、第二水平反射镜（332）和第二垂直反射镜（333），所述升降外光路盒（331）下端面设置有激光切割头（6），所述治具组件（4）包括X轴直线模块（41）、Y轴直线模块（42）以及切割载台（43）。

2.根据权利要求1所述的一种晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割机，其特征在于：所述固定外光路盒（321）一侧设置有连接杆（7），所述激光器（31）设置有套筒（8），所述套筒（8）通过所述连接杆（7）与所述固定外光路盒（321）相连接，所述固定外光路盒（321）一侧设置有第一激光通孔（325），所述第一激光通孔（325）与所述套筒（8）相配合，所述固定外光路盒（321）还设置有第二激光通孔（326），所述第二激光通孔（326）与所述第一垂直反射镜（324）相配合。

3.根据权利要求1所述的一种晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割机，其特征在于：光路平台支架（2）一侧设置有所述Z轴调焦伺服丝杆模组（5），所述升降外光路盒（331）一侧与所述Z轴调焦伺服丝杆模组（5）活动端相连接。

4.根据权利要求2所述的一种晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割机，其特征在于：所述第二水平反射镜（332）和所述第二垂直反射镜（333）分别在所述升降外光路盒（331）两端，所述第二水平反射镜（332）通过所述第二激光通孔（326）与所述第一垂直反射镜（324）相配合，所述升降外光路盒（331）还设置有第三激光通孔（334），所述第二垂直反射镜（333）通过所述第三激光通孔（334）与所述激光切割头（6）相配合。

5.根据权利要求1所述的一种晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割机，其特征在于：所述Y轴直线模块（42）与所述X轴直线模块（41）活动端相连接，所述切割载台（43）与所述Y轴直线模块（42）活动端相连接，所述切割载台（43）设置有若干扩晶环夹紧块（44），所述切割载台（43）中部设置有带扩晶环（45）的晶圆产品（46），若干所述扩晶环夹紧块（44）与所述扩晶环（45）限位配合,所述切割载台（43）还设置有若干调平螺丝（47）。

6.根据权利要求1所述的一种晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割机，其特征在于：所述升降外光路盒（331）一侧还设置有大视野相机（9）和小视野相机（10），所述大视野相机（9）和所述小视野相机（10）与所述切割载台（43）上的晶圆产品（46）相配合。

7.根据权利要求1所述的一种晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割机，其特征在于：所述激光切割头（6）底部还设置有同轴除尘模块（11），所述同轴除尘模块（11）与所述激光切割头（6）相配合。

8.根据权利要求1所述的一种晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割机，其特征在于：所述固定外光路盒（321）还设置有气缸光闸（12），所述气缸光闸（12）活动端设置有激光挡板（13），所述激光挡板（13）与第一激光通孔（325）相配合。

9.根据权利要求1所述的一种晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割机，其特征在于：所述晶圆MEMS芯片悬臂梁激光切割机还包括机罩（14）、所述机罩（14）设置有上料口双开门（15）、操作面板（16）以及观察门（17）。